Optiske fibre dæmpning

Dæmpning er alle typer af fænomener, der resulterer i fald i opformeret signalmagt, der ikke påvirker dets form.

En parameter af enhed dæmpning a anvendes i den matematiske beskrivelse af effekttab i den optiske fiber forårsaget af dæmpning, målt på 1 km. Det udtrykkes i dB / km og er specificeret ved følgende formel:

P(l₁) og P(l₂) - optisk effekt målt i den optiske fiber i punkterne l₁ i l₂ fjernt fra hinanden L

Dæmpning stiger eksponentielt som fiberlængde øges, og på samme tid reducerer senderens rækkevidde. Stigningen i dæmpning med 3 dB svarer til el fald i opformeret signal med 50%.

Effekttab som følge af dæmpning omfatter fænomener baseret på materiale, forbundet med de fysiske egenskaber af kernematerialet og bølgeleder, der følger af den optiske fiberstruktur (fig. 1). Materielle tab omfatter alle de typer af absorptioner og dispersioner . Fibertab er energitabet forårsaget blandt andet af mikro-bøjninger og makro-bøjninger , manglende ensartethed af fordelingen af lysbrydningskoefficienten på grænsen af kernen og beklædningen eller udsving i diameteren eller formen af en sådan grænse.

Absorption er et fænomen, der består i at overføre energien af en elektromagnetisk bølge til centrum materiale hvori bølgen spreder (fig. 2). Denne energi senere spredes i form af partikel oscillation (primært termisk svingning) eller gennem emission. Energi kan absorberes af en partikel kun efter nøje specificerede portioner (kvante), som bestemmes af den elektromagnetiske bølgefrekvens ν. Foton absorption i overførslen af energi, der kræves til fremkaldelse af en partikel til højere energetisk niveau, med samtidig reduktion af en lysstrøm.

I telekommunikation og multimedier optiske fibre, absorption gennem forurening, især ioner -OH, spiller den vigtigste rolle. Absorption i infrarødt og absorption i intervallet UV er mindre væsentlig.

For bølger med længden på 0,95 um og 1,38 um en afgørende indflydelse på optiske tab udøves af tilstedeværelsen af ioner -OH, hvor der er den tredje og anden harmoniske svingning. For bølgelængde på 1,23 um-ion svingninger overlapper -OH med forbindinger Si-O, Cu²⁺, Fe²⁺, Cr³⁺ og H₂ (fig. 1 - B). Tilstedeværelsen af -OH ioner er restproduktet efter forurening med vanddamp under fremstillingsprocessen. Ved hjælp af tilsætning af passende blandinger, er det muligt at påvirke ændringen i lysbrydningskoefficienten n og stigningen af absorptionen (fig. 3).

Fig. 3. Afhængigheden af enhedsdæmpning [a] og ændringen i lysbrydningens koefficient Δn i kvarts optisk fiber, single-mode, med bølgelængde på 1 μm

Absorption i ultraviolet når maksimale bølgelængde på 0,2 um. Det er forbundet med udstødning valenselektroner af fotoner til ledningsbåndet. For bølger længere end 0,8 um absorption i UV er ubetydelig (Figur 1 -. C).

Egenskaberne af kvartsglas viser, at når bølgelængden vokser over 1,6 um absorptionen i infrarødt stiger også (fig. 1 - D). Med bølgelængde på 9 μm, krystalstrukturer Si0₂ er udsat for resonans, hvilket resulterer i maksimal dæmpning og en optisk fiber stopper med at være gennemsigtig.

Dispersion er en ændring i retning af formeret stråling forårsaget af materiale uden ensartethed på partikel-niveau
En fremherskende funktion i telekommunikation og multimedia optiske fibre udføres af Rayleigh spredning.; der er også Mie spredning og Raman og Brillouin spredning.

Årsagen til forekomsten af Rayleigh spredning (RR) er den manglende ensartethed af kernematerialet (forårsaget af glasstruktur ufuldkommenhed) med dimensionerne væsentligt lavere end 0,03 λ. RR er omvendt proportional med kraften af fire lysbølgelængden (Fig. 1 - A) og bestemmer således en grænsestabilitet for kvarts optiske fibre til bølger kortere end 0,7 μm. Dæmpning afhængig af RR (en_R) er beskrevet b:

k - materialkonstant spænder fra 0,7 til 0,8 (afhængigt af mængden af tilsætninger)

RR forekommer på følgende måde: en elektrisk bestanddel af den indfaldende elektromagnetiske bølge inducerer elektrisk dipolmoment oscillerende med bølgefrekvensen. En dipol absorberer en lyskvant og udsender den straks med frekvensen svarende til dipolens svingningsfrekvens og hændelsesbølge (fig. 4). Retningen af den dispergerede bølge er tilfældig, men det er mindre sandsynligt, at bølger parallelt med dipol aksen vil blive udsendt.

Mie dispersion (RM) opstår, når lysbølgen dispergeres i partikler eller molekyler grupper med størrelsen sammenlignelig eller større end bølgelængden. Denne proces er ikke direkte forbundet med længden af den dispergeret bølge, men med kvotienterne af partikelstørrelsen og bølgelængden. Det er beskrevet ved følgende parameter α .

r - partikel radius

Når en partikelstørrelse er sammenlignelig med bølgelængden, dispersion er (ca.) i alle retninger. Da værdien af en kvotient vokser r/λ, stiger asymmetrien i den observerede dispersion (fig. 5). Når r>>λ, dispertionen er i overensstemmelse med den dispergeret bølge (fremad dispersion), og ændringen i den indfaldende bølgelængde er praktisk taget uden betydning.

Fig. 5. Mie Dispersion. Dispersion på manglerne i materialet i den fiberoptiske kerne: A) - sammenlignelige/større end lysets bølgelængde, B) - betydeligt større end lysets bølgelængde

Ved at forbedre den tekniske proces til fremstilling af optiske fibre lykkedes det at eliminere (i væsentligt omfang) gasbobler, samt grupper af additive grundstoffer eller krystallitter; således, at effekttab forårsaget af RM blev reduceret til værdien af 0,03 dB/km.

Tvunget Brillouin spredning (SBS) og tvunget Raman spredning (SRS) er ikke-lineære fænomener. Interaktionen af den elektromagnetiske bølge og centrum materiale finder sted efter overskridelse af grænseværdien af optisk effekt.

SBS opstår, når i fiberoptiske kabler er fiberbølgeledere med den optiske effekt af flere mW. En omvendt bølge dannes og fotonenergi overføres gennem centret af materiet til akustiske fotoner. Desuden frekvensen af fiberbølgelederen forskydes med:

n -lysbrydning koefficient
ν - hastighed af en lydbølge i midten

SRS opstår efter overskridelse af den optiske effekt på 1 W, og består af virkningen af de førte fiberbølgeledere med molekylære vibrationer af centret af materielet. Spredt lys overfører kvant af fotonenergien til en dispergerende partikel, og det ændrer dets frekvens. Følgelig er den optiske effekt af svingningstyper med højere frekvens (sondering fiberbølgeleder) reduceret, og magten (pumpning) af bølgen med lavere frekvens forøges med Stokes frekvens. I silicium optiske fibre vil hver to bølger med forskellen i frekvensen af 15. THz kobles gennem SRS.

En anden tabkilde er bøjninger af fiberet, både i makroskopisk skala og mikroskopisk skala.

En bølge, som udbreder sig langs den optiske fiber og støder en bøjning, hænder på grænsen mellem kappen og kernen i en anden vinkel, end på en lige fiberoptisk sektion. Når en indfaldsvinkel er lavere end grænsevinklen, fænomener af de samlede interne tilbagekastninger ikke forekommer. De førte svingningstyper er ofte genstande for delvis omdannelse til strålende svingningstyper, som resulterer i brydningen over den optiske fiberkerne og ud over beklædningen (fig. 4). En del af energien går tabt.

Tab dannet ved bøjning er uundgåelige; de kan minimeres ved at reducere antallet af bøjninger; og i de steder, hvor det er nødvendigt med bøjninger – kan man udføre bøjninger med så stor kurveradius, som muligt. Hver producent af optiske fibre giver et minimum bøjningsradius , der skal følges, mens du lægger kablet. Dette er en parameter, som ikke bør ændres for ikke, at forringe parametrene af kablet.

Micro-bøjninger dannet ved fiber produktionen. Disse er alle de typer af uregelmæssigheder i form af grænsen mellem kernen og beklædningen, som er tilfældige (mikrorevner, grupper af tilsætningsstoffer, gasbobler) samt cykliske (f.eks. ændringer i diameteren eller geometrien af kernen eller mikrorevner dannet ved periodisk forøgelse af spænding, når fiberen snoes på tromlen).

Mikrobøjninger i flere-modus optiske fibre forårsager kobling og konvertering af energien af fiberbølgeledere, der transporteres til stråling fiberbølgeledere. I enkelte optiske fibre forårsager sløring af fiberbølgelederen.